基于阶次分析的爪极发电机电磁噪声源分析

张　浩，贺岩松，张全周，孔祥杰，赵　勤

（1.重庆大学 汽车工程学院，重庆 400044；　2.长安汽车工程研究院，重庆 401120）

基于阶次分析的爪极发电机电磁噪声源分析

张浩1，贺岩松1，张全周1，孔祥杰2，赵勤2

（1.重庆大学 汽车工程学院，重庆 400044；2.长安汽车工程研究院，重庆 401120）

爪极发电机噪声严重影响汽车的NVH性能。基于某型爪极发电机，在标准噪声实验室进行冷态空载和热态为负载工况下的台架噪声试验。处理数据发现，在低转速段，电机的电磁噪声偏大且出现了峰值，阶次分析显示36阶次主要噪声成分。建立样机的电磁学模型，对峰值噪声转速进行电磁仿真求取电磁力，其频谱显示12、24和36阶次为电磁力主要阶次。采用等效体积法建立定子模型，并装配整机模型，完成了模态仿真和模态试验。结合仿真和试验结果，发现低速电磁噪声源是电磁激振力作用下的结构共振产生，对电磁噪声的分析和控制具有一定参考价值。

声学；爪极发电机；电磁噪声；阶次分析；电磁仿真；模态分析

车用交流发电机噪声影响汽车的乘坐舒适性，是评价汽车NVH性能的一个重要指标。汽车发电机的电磁噪声及声品质问题是汽车NVH的重点开发方向之一，但电磁噪声源研究目前基本以“试错法”为主，盲目性较大，是整车NVH开发的短板，车用发电机电磁噪声源分析的问题亟待解决。

从噪声产生的机理来分类，发电机振动噪声主要由机械噪声、电磁噪声和空气噪声三大类组成［1］。技术发展已经较好地解决了机械和空气噪声［2-4］。目前发电机的振动噪声问题多集中在电磁噪声。爪极发电机受结构影响使磁导产生周期性变化，引起气隙磁密的大小周期性变化，从而产生齿谐波噪声，即电磁噪声［5］。

目前，电磁力、模态特性的研究是国内外针对爪极发电机电磁噪声的重点方向。Girgis等人考虑定子和机座的作用，提出了定子固有频率的公式，得出了定子的固有频率和振动特性，并研究了铁芯厚度和长度对固有模态的影响［6-7］。代颖在将定子绕组等效为空心圆柱体，其有限元分析结果与敲击实验结果非常吻合［8］。尚修敏对汽车发电机零部件及整机的模态进行了仿真分析和实验研究，但将定子系统用等效质量和等效刚度的方法悬挂在端盖处来研究整机模态［9］。目前，电磁噪声研究多集中于普通电机，而针对爪极发电机电磁噪声的文献还较少，且爪极电机与普通电机的电磁噪声具有较大的差别。

本文针对某爪极发电机的电磁噪声问题，通过噪声台架试验发现低速下电磁噪声偏大，利用阶次分析对数据处理找到低速电磁噪声的主要阶次成分。建立样机Maxwell模型，完成电磁仿真得到峰值电磁噪声转速下的电磁力及其频谱成分。建立发电机主要零部件和整机模型，并进行模态仿真和试验。结合电磁力仿真、结构模态和噪声试验结果，分析该电机低速电磁噪声源，为爪极发电机的电磁噪声控制提供一定的参考。

1　发电机电磁噪声简介

电磁噪声研究主要涉及电磁力分析、结构模态分析、由电磁力引起的振动声辐射分析。

电磁噪声是由于交变电磁力（激振力）引起定子的电磁振动产生。发电机的电磁力随空间和时间上的变化而改变，当电磁力的阶次频率与发电机结构的模态频率相接近时，就会产生电磁共振，辐射出较强的电磁噪声［7］。

作用在定子铁芯齿上的电磁力含径向和切向磁力两个分量，其中径向分量强迫定子铁芯振动发出的噪声是电磁噪声的主要来源，而切向分量使齿根部局部弯曲变形。

由麦克斯韦定律，气隙磁场中单位面积的径向电磁力按式（1）计算［8］

其中B为气隙磁密；θ为机械角位移；μ0为真空磁导率。

定、转子绕组中气隙磁波的径向力波成分为

其中P0=B2/（4μ0）≈B2δ/（4μ0）是径向力的不变部分

其中p为主波的极对数；ω1为主波的角速度；θ0为初相角。

P1是径向力波的交变部分，这个力波的角频率是2ω1，即2倍的电源频率，它使定、转子产生2倍电源频率（f=pn/30）的振动与噪声［9］。

爪极发电机的电磁噪声的频率可表示为

其中i为谐波次数；n为转速。

2　发电机噪声试验

2.1发电机噪声台架测试

针对某型爪极发电机的噪声问题，在标准的消声室内完成了发电机噪声台架试验。图1为发电机噪声台架试验的布置图，在发电机前、后、左、右和上方五个距发电机中心均为0.5 m的位置来布置传声器，采用五点测试法。

图1　汽车发电机噪声试验台架

试验采用升速法测试发电机在冷态空载工况和热态负载工况下1 500 r/min～16 000 r/min范围内的噪声，并对试验数据进行处理和分析，研究噪声的特点和频率成分。

2.2整体声压级分析

处理试验数据后得到该电机在冷态空载工况和热态负载工况下的噪声声压级-转速曲线，如图2所示。

图2　空载和负载工况噪声声压级-转速曲线

试验结果表明，两种工况下总声压级整体随转速增加而上升。在低转速（2 000 r/min～4 500 r/min）范围内，相同转速下负载工况的声压级明显高于空载工况，且在冷态空载工况下时，2 500 r/min（A）和4 350 r/min（B）的声压级为66 dB和74 dB，而负载工况下却出现了72 dB和83 dB两个明显的峰值，说明热态负载工况下产生的电磁噪声突出明显，是低转速范围内的主要噪声来源，并造成电机噪声偏大，严重影响整车的乘坐舒适性。在中高速转速范围内，空载工况和负载工况下发电机噪声基本接近一致，说明此阶段电磁噪声对发电机总体噪声贡献不大。

发电机主要在低转速区间工作，因此负载工况下低转速（2 000 r/min～4 500 r/min）范围内的电磁噪声控制对改善发电机总体噪声具有非常大的意义。

2.3低速噪声阶次分析

传统的分析因为不包含时间信息，因此对时变特征的振动的阶次追踪效果不好［10］。阶次分析将等时间间隔采样变换为等角度间隔采样。对等角度采样信号做类似时域的傅里叶变换得到阶次谱，可有效地改善传统分析方法的不足［11］。因此，对电机类旋转机械的噪声振动分析采用阶次分析的方法，可以避免频谱上的“频率混叠”［12］。

对低转速段（2 000 r/min～4 500 r/min）热态负载工况下的发电机噪声数据进行阶次分析，在B&K Pulse中进行数据处理后得到如图3所示的阶次图。

图3　中低转速下热态负载工况噪声信号阶次图

从阶次图可以看出，在2 500 r/min时，36阶次为电磁噪声的主要成分；而在4 350 r/min时，30和36阶次噪声占据主要成分，且36阶次较强，符合36定子齿的谐波规律。

3　爪极发电机电磁仿真

针对该发电机在2 500 r/min和4 350 r/min两峰值进行电磁仿真分析，计算引起电磁噪声的电磁力及频率成分。

3.1发电机电磁学建模

爪极发电机的内部结构主要由定子、转子、转轴、励磁绕组、三相感应绕组等结构组成。本文研究的爪极发电机为6对爪极，定子槽数为36槽。由于电机具有轴向对称性的结构，为降低计算量和减少仿真时间，求解区域可缩小为一对极模型。图4为发电机的Maxwell 3D瞬态场的六分之一模型。负载采用恒定电阻等效恒定负载工况。

图4　发电机一对极模型

3.2电磁力计算

在材料定义、添加激励、外电路绘制、网格剖分等完成后，进行Maxwell求解设置并计算得到电磁学结果。本文选取2 500 r/min和4 350 r/min两个转速进行电磁力数值模拟，每个转速选取一个整周期进行计算，并且每个转速下都确保分析频率达到该转速下36阶次电磁力频率以上。求解结果分别如图5-图6所示。

图5　2 500 r/min电磁力曲线

图6　4 350 r/min电磁力曲线

从图中可以看出，4 350 r/min时电磁力较2 500 r/min时电磁力大，电磁力随时间变化比较稳定且呈现出较好的周期规律。

3.3电磁力结果频谱分析

为更好地分析电磁力频率成分，对两个转速下的电磁力作Fourier分解，得到电磁力的幅频图如图7-图8所示。

电磁力频谱结果显示，在2 500 r/min的时候，在500 Hz、1 000 Hz和1 500 Hz电磁力呈现峰值，即对应2 500 r/min时电磁力的12、24和36阶次频率；在4 350 r/min的时候，在870 Hz、1 740 Hz和2 610 Hz是电磁力的主要贡献频率成分，即对应4 350 r/min时电磁力的12、24和36阶次频率。两个转速下的其它阶次电磁力峰值均相对较小。

图7　2 509 r/min电磁力频谱图

图8　4 350 r/min电磁力频谱图

4　发电机模态分析

4.1模态分析理论

模态分析是用来计算结构的固有频率和振型。电机自由振动时，外部激励为0，此时振动微分方程为［13］

式（5）的解为

将式（6）左乘｛φ｝T得到

式（7）中 ω2为特征值，其升序排列为为电机的第i阶固有频率。特征向量｛φi｝为电机的第i阶主振型。

4.2发电机有限元模态分析

本文利用Catia建立发电机零件和整机模型，并在Ansys中建立有限元模型，完成有限元模态仿真。

定子由铁芯和线圈构成，绕组是定子模态频率的重要影响因素。绕组的不规则性导致建模难度大，仿真时的力学参数难以确定。已有文献表明，采用等效体积法来建立定子模型和模态仿真是可行的［14-15］。本文建立了等效体积的定子模型，并对其它零件进行适当处理后，建立了整机三维模型，如图9所示。

图9　发电机定子和整机三维模型

网格划分时网格大小根据零件分别设置为2 mm～4 mm，样机的定子和整机有限元网格剖分如图10所示，其中整机的网格和节点数约为38万和56万。样机的主要零部件材料参数如表1所示。

图10　发电机定子和整机有限元模型

表1　发电机零部件材料参数

发电机噪声试验分析频率在3 000 Hz以内，因此模态分析也只计算3 000 Hz以内的频率。计算完成后，前、后端盖模态仿真计算结果如表2所示，其中转子在3 000 Hz无固有频率值，低频噪声来源于转子部分振动的贡献很小。

表2　发电机零部件模态仿真结果

前、后端盖的第1阶、第2阶和第3阶模态振型为图11所示。前、后端盖的振型主要集中在椭圆振型和三角形振型两种，且以与定子接触处的变形为主。

定子有限元模态仿真定子模型的前3阶模态振型分别为椭圆振型、三角形振型和四边形振型，如图12所示。

整机的模态振型如图13所示，第1阶振型为轴向振型，第二振型为椭圆振型，第3阶振型为三角形振型，从振型图看出变形主要集中在定子。

图11　前、后端盖前3阶模态振型图

图12　定子前3阶模态振型图

图13　发电机整机前3阶模态振型

4.3模态试验

在采用锤击法的模态试验过程中，用橡皮绳悬挂被测件来模拟自由状态，整机模态试验布置如图14所示。

图14　发电机模态试验悬挂图

采用固定传感器和移动力锤的方式进行模态试验，每个测点依次敲击三次进行平均，以减少随机误差［16］。试验利用LMS模态分析模块进行试验和数据处理分析。

发电机的前端盖、定子和整机的模态试验，结果见表3，其中括号内为误差。模态试验和仿真结果的误差普遍可以接受，说明仿真结果具有较好的可靠性。

表3　模态试验结果

5　电磁噪声源研究

噪声试验结果显示发电机噪声在低转速时以电磁噪声为主，在2 500 r/min时的36阶次噪声频率为1 500 Hz处，以及在4 350 r/min时的24和36阶次，即1740 Hz和2 610 Hz附近有较大峰值。电磁计算后电磁力的频谱结果显示2 500 r/min和4 350 r/min时在12、24和36阶次具有峰值，如表4和5所示。

表4　2 500 r/min频谱分析表

表5　4 350 r/min频谱分析表

对于2 500 r/min来说，36阶次附近的电磁噪声主要来源于36阶次电磁激振力作用下在定子2阶频率产生的共振；而4 350 r/min时的24阶次附近的噪声主要来源于整机2阶共振，36阶附近的噪声主要来源于36阶次电磁激振力与定子和整机3阶的共振。说明电磁力各峰值频率与电机结构的模态频率靠近时，尤其是与定子频率接近时，便会产生共振并辐射出较大的电磁噪声，与噪声试验数据的阶次分析具有很好的一致性。针对该机低速电磁噪声，可从降低电磁力峰值和优化结构特性来入手，从而改善电机振动，达到控制电磁噪声的目的。

6　结语

通过某型车用爪极发电机噪声台架试验的两种工况对比，发现低转速段的电磁噪声偏高问题严重影响了整车的NVH性能，阶次分析发现24和36阶次是电磁噪声的主要成分。

建立发电机的电磁学模型，并计算得到发电机负载工况下峰值噪声转速下的电磁力及频率成分。建立零部件和整机模型，得到模态分析结果。联合电磁和结构CAE分析，结合模态试验和噪声试验，发现较大的电磁噪声是电磁力频率和结构频率一致时的共振所辐射出的。爪极发电机的低转速范围内的电磁噪声控制可以通过避免电磁力频率和结构频率一致时的共振，或者消弱电磁力高阶次频率峰值来达到降低电磁噪声的目的，这为发电机电磁噪声控制提供了基础。

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Electromagnetic Noise SourcesAnalysis of Claw-poleAlternators Based on OrderAnalysis

ZHANGHao1，HE Yan-song1，ZHANG Quan-zhou1，KONG Xiang-jie2，ZHAOQin2
（1.College ofAutomotive Engineering，Chongqing University，Chongqing 400030，China；2.ChanganAuto Global R&D Center，Chongqing 401120，China）

Vehicle alternators noise seriously affects the vehicle’s NVH performance.Based on a certain type of vehicle claw-pole alternator，noise tests are done in load-free state and hot loading state in a specifically designed lab.It is found in the data processing that the electromagnetic noise is the major noise source of the alternators at low speed.And the main noise component of the 36 th order electromagnetic noise is shown in the order analysis.Then，the Maxwell electromagnetic model of a sample alternator is built to complete electromagnetic simulation.The results show that there are high peaks at 12，24 and 36 th order electromagnetic force frequencies in the frequency spectrum.Stator model is established by means of the equivalent volume method according to the structure of the coils and the stator core.Then，the model of the global alternator is built and the modal simulation and the modal test are completed.The results show that the electromagnetic noise in low speed range is induced by structural resonance under electromagnetic excitation force.This work may provide references for analysis and control of the electromagnetic noise.

acoustics；claw-pole alternator；electromagnetic noise；order analysis；electromagnetic simulation；modal analysis

TM301.4

ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.05.010

1006-1355（2016）05-0044-06

2016-05-09

汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室资助项目（Q14 5615）

张浩（1991-），男，重庆市云阳人，硕士研究生，主要研究方向为车辆振动噪声控制。E-mail:zhanghao_0803@163.com

贺岩松，男，湖南省双丰人，教授，博士生导师。E-mail:hys68@cqu.edu.cn